柳塘水库粘土心墙坝的渗流分析

蒋明星

（福建省尤溪县柳塘水库管理处，福建 三明 365116）

1 工程概述

尤溪县柳塘水库位于闽江二级支流青印溪上游的管前镇柳塘村，坝址以上控制集雨面积100 km2，总库容4 400 万m3。该水库于1977 年9 月动工，1980 年6 月建成并发挥效益。1988 年枢纽工程经福建省水利厅验收后纳入规范化管理轨道，1991 年升格为省重要中型水库。

枢纽工程由大坝、副坝、溢洪道、输水隧洞和坝后电站等建筑物组成。大坝为粘土心墙土石混合坝，原设计坝高43.60 m，竣工最大坝高44.40 m，坝顶高程585.40 m，坝顶长250 m，坝顶宽6 m。大坝基础岩性为花岗岩，基础防渗采用浅槽混凝土垫层，鼻坎挑流消能。

2 渗流表现

柳塘水库经过近40 年蓄水运行，保持维修养护，整体情况基本正常，但坝体渗漏存在不少隐患。主要有：大坝渗漏，下游坝脚539 m 平台水草丰盛，高水位时可见渗水；溢洪道底板渗漏，水位达580 m 以上时，溢洪道底板右侧存在渗漏现象；输水隧洞洞内存在少量渗漏现象。

3 渗流分析

3.1 测压管观测资料分析

3.1.1 测压管的布设

柳塘水库大坝渗流监测项目为测压管水位观测。在大坝顶和背水坡分别在桩号0+110、0+145、0+185 这3个断面布设12 根测压管（每个断面4 根）。其中：0+145断面为最大坝高处。测压管的布设为了解坝体及山体水位变化情况提供了数据。测压管为敞开式测压管，外径为52.9 mm 的镀锌管，由进水管段、导管、沉淀管和管口保护设备构成，各部分的长度和高度埋设资料如表1。

表1 测压表各部分长度、高度埋设信息

3.1.2 测压管观测资料分析

1）坝顶测压管水位与库水位变化在库水位上升时的同步现象是正常的，一般情况都是测压孔水位低于库水位，当库水位下降时，测压孔水位高于库水位。由于库水位下降属缓降，从记录表还可能看出在降雨时，库水位下降，测压管水位反而上升，这是由于雨水渗入坝体引起所致。坝体测压管水位受降雨量影响显著的测压管是因为筑坝土质差，坝面、坝坡不平，易积水，使地表水容易渗入坝体引起的。

2）左岸山体测压管（0+110 断面）水位与库水位变化也呈同步现象但明显低于库水位，由于断面测压管为观测左岸绕坝（或坝基）渗流。测压管进水段从粘土心墙进入坝基的风化变化变质岩，因此测压管水位偏低要用坝基的渗透特性来解释，根据坝址工程地质：左岸因被东西向、北东向3 条岩脉侵入，致使大部分岩石被挤压成块状，风化深，岩性较弱，局部已成风化土；高程574 m 以上，经洞探均为风化石和红绝粘土层，需加处理，以防绕坝渗漏，特别沿东西向侵入的岩脉宽达3.2 m；破碎带宽达12 m；破碎带将给大坝渗漏创造通道，由于坝基可能存在渗漏通道，排泄条件较好，所以测压管始终保存较低的水位[1]。

3）测压管实测水位总体上是埋设在心墙内的测压管水位较高，埋设在代替料内的水位略低，这与粘土和代替料渗透性有关，代替料及粉质土砂渗透性系数大，粘土心墙防渗性好，浸润线经粘土心墙后，有一个降低的过程，说明粘土心墙对减少渗漏、降低浸润线有明显效果。

从观测总体情况来看，测压管内水位随着库水位的变化而变化，其中测压管1-1、1-2、1-3、1-4、2-3、3-3、3-4 的水位随着库水位变化较为敏感。2-1、2-2、3-1、3-2 的测压管只有在库水位高于某一数值时才会随着水位变化而有所改变。

3.2 渗透系数的选择

本次柳塘水库大坝渗透系数采用2013 年4 月福建华东岩土工程有限公司提供的《福建省尤溪县柳塘水库安全鉴定工程工程地质勘察报告》。大坝坝体为粘土心墙坝，粘土心墙渗透系数建议值为Kc=2.54×10-4cm/s。大坝填土料主要有粘性土、代料土，土料渗透系数K 见下表2。

表2 大坝填土料类别及渗透系数

3.3 坝体渗流计算

计算断面选用土坝最大断面进行计算。计算程序采用河海大学工程力学研究所编制的水工有限元分析软件Autobank 6.0 进行计算，大坝渗流计算成果见表3。

表3 大坝渗流计算成果表

说明：①工况Ⅰ：正常蓄水位情况，上游水位为正常蓄水位582.80 m，下游无水；②工况Ⅱ：校核洪水位情况，上游水位为校核洪水位583.22 m，下游无水；③工况Ⅲ：校核洪水位骤降情况，上游水位为校核洪水位583.22 m骤降至正常溢洪道堰顶高程576.80m，下游无水。

根据颗分试验成果，大坝粘土心墙处坝体填土的主要成分均为粘性土，依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录G，粘性土和不均匀系数小于和等于5 的无粘性土的渗透变形主要为流土。经判定其渗透变形式为流土型。其临界水力比降按下式确立：

流土型临界水力比降：Jcr=（Gs-1）×（1-n）

计算结果为：

Jcr=（Gs-1）×（1-n）=（2.72-1）×（1-0.450）=0.947；

经综合考虑工程条件与地质条件，安全系数采用2，故大坝处容许水力比降J允许=Jcr/2=0.47。

大坝填筑土料为粘土，根据地质报告提供，坝体粘土心墙的临界水力坡降为0.947，容许水力坡降为0.47。从表中计算成果看，大坝水力坡降均高于容许水力坡降，且实际运行中坝脚存在渗漏现象。因此大坝在渗流方面存在较大隐患[2]。

3.4 坝基及绕坝渗漏分析

3.4.1 坝基渗漏分析

根据野外钻探成果，大坝河床坝基岩性主要为强风化花岗岩及弱风化花岗岩，参照岩土层渗透系数建议值表，弱风化花岗岩属于弱透水层，但强风化花岗岩属于中等透水层，因此大坝河床坝基存在渗漏。

以大坝坝轴线剖面进行估算，以正常蓄水位线与底部相对隔水层（以透水率q≤5 Lu）交线为界，根据地形分左岸、河床、右岸三个区选用卡明斯基公式近似计算坝基渗漏量，计算结果详见表4。

3.4.2 绕坝渗漏分析

大坝左右岸山体岩性主要为粉质粘土、强风化花岗岩及弱风化花岗岩，参照岩土层渗透系数建议值表，粉质粘土及弱风化花岗岩属于弱透水层，但强风化花岗岩属于中等透水层，因此大坝左右岸均存在绕坝渗漏。左右岸绕坝范围线取设计正常蓄水线与隔水层顶板交线，按简单水文条件（层流）考虑，选用公式Q=KH（H1+H2）粗略计算大坝绕坝渗漏量，经计算大坝绕坝渗漏约为658.873 m3/d，建议要进行灌浆处理[3]。

表4 坝基渗漏量计算表

3.5 其它建筑物渗流分析

溢洪道基础为弱风化花岗岩，勘察期间经现场检查及多年管理经验，溢洪道底板存在渗漏现象，且溢洪道混凝土底板厚度太薄，局部裂缝非常严重。经分析，溢洪道产生渗漏及裂缝的原因为溢洪道与基底弱风化花岗岩结合部胶结程度较差，导致结合部出现渗漏通道，渗水过程中对溢洪道底板产生挤压作用，从而出现裂缝。观点表明要对溢洪道进行工程处理。输水隧洞基础为弱风化花岗岩，勘察期间经查询水库日常运行资料，发现输水隧洞存在少量渗漏，未发现明显位移、变形等不良现象，输水隧洞整体质量良好[4]。

4 结论与建议

根据坝体测压管钻孔试验数据及渗流稳定理论计算数值，可以证明大坝在各种工况下的水力坡降均大于允许水力坡降，不满足规范要求。大坝下游坝脚539 m 平台水草丰盛，高水位时可见渗水，但是由于大坝渗流观测设施不完善，测压管部份失效，且坝后也未设置量水堰，所以无法准确观测大坝渗漏情况。另外，溢洪道混凝土底板厚度太薄，最大厚度不超过20 cm，裂缝非常严重。水位达580 m 高程时明显发现渗水。

根据以上情况，对照《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2000）的规定，可以认为，柳塘水库经过40 年运行，存在较大的渗流安全隐患。

为此，要对大坝进行防渗加固处理。大坝坝基以及坝肩基岩强风化层采取帷幕灌浆，浆液进入稳定的相对隔水层一定深度，并与坝体防渗体连为一体。对于溢洪道基础存在局部渗漏的现象，要对基础进行防渗加固处理。另外，大坝要增设量水堰，进行除险加固，加强大坝安全监测和安全鉴定工作，并做好观测记录、资料整理归档等工作。